ZnO、MgO与CaO纳米颗粒在3D打印壳聚糖-琼脂糖支架中的抗菌与成骨效应对比研究

本文系统比较了ZnO、MgO和CaO纳米颗粒（NPs）在3D打印壳聚糖（CS）-琼脂糖（AG）复合支架中对材料性能、抗菌活性及成骨分化的影响。研究发现，ZnO NPs在增强抗菌效能（针对E. coli和S. aureus）和促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）增殖与分化方面表现最优，而CaO NPs的抗菌作用较弱。该研究为设计兼具抗感染和骨再生功能的智能生物材料提供了重要依据。

　　

引言

大骨缺损的修复是骨科领域的重大挑战。尽管自体骨移植仍是金标准，但其来源有限且伴随并发症风险。理想骨支架需兼具骨传导性、骨诱导性、成血管性及抗菌性。本研究通过3D打印技术构建壳聚糖（CS）-琼脂糖（AG）复合支架，并分别掺入ZnO、MgO和CaO纳米颗粒（NPs），系统评估其打印性能、降解行为、抗菌效能及细胞响应，为骨组织工程提供新型材料设计策略。

材料与方法

墨水制备与打印

基础水凝胶墨水（CA）由3.5% CS和1.5% AG（w/v）组成，分别添加0.5% ZnO、MgO或CaO NPs（记为CAZ、CAM、CAC）。NPs通过湿化学法合成并经PVP包覆抑制团聚。打印采用挤出式生物打印机，参数针对各墨水优化（如CAZ打印温度40°C，压力0.15 MPa）。

表征与性能测试

NPs形貌通过TEM和SEM表征，平均粒径分别为ZnO 53 nm、MgO 93 nm、CaO 14 nm。墨水流变学测试显示所有样品均具剪切稀化特性，NP添加显著增加复数粘度（CAM最高）。FTIR和XPS证实NPs与聚合物间存在相互作用（如Ca-O键、Mg-O-Mg键）。降解实验在PBS（pH 7.4）中进行4周，NP组降解速率显著低于纯CA。溶胀实验表明NPs降低溶胀率（CAM最低），接触角测量显示NPs增强亲水性（CAC最低，65.5°）。

生物学评价

抗菌性通过菌落计数法和抑菌圈法评估（针对E. coli和S. aureus）。细胞实验采用BMSCs，通过MTT法测增殖，ALP活性、qPCR（ osteocalcin基因）和ARS染色评估成骨分化。

结果与讨论

材料性能

NPs的加入显著提升墨水粘度与模量（CAM > CAZ > CAC > CA），归因于NPs与聚合物链的物理交联或离子相互作用。降解速率排序为CA > CAC > CAM > CAZ，Zn2?通过配位键稳定网络，Ca2?和Mg2?通过离子交联增强结构完整性。溶胀行为符合降解趋势，NP组溶胀率降低（CAM最低）。亲水性提升因NPs引入极性基团（如CAC因Ca2?吸湿性最强）。

抗菌活性

CAZ对E. coli和S. aureus抑菌效果最强（菌落数降低约11倍），CAM次之，CAC较弱。机制涉及Zn2?释放与ROS生成破坏膜结构，Mg2?干扰膜电位，Ca2?作用较弱。抑菌圈定量显示CAZ对E. coli抑制带达2.96 mm（接近庆大霉素3.47 mm）。

细胞响应与成骨分化

细胞增殖（MTT）显示NP组均优于CA，排序为CAZ > CAC > CAM。成骨分化指标中：

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  ALP活性（21天）：CAZ最高（约5倍于基线），CAM与CAC次之；

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  osteocalcin基因表达（qPCR）：CAZ > CAC > CAM；

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  矿化（ARS染色）：CAC沉积最显著（因Ca2?直接参与矿化），但CAZ因促进早期成骨标记物表达而综合性能最优。

  Zn2?通过激活转录因子（如RUNX2）和酶辅因子作用促分化，Mg2?作为ALP辅因子，Ca2?主要提供矿化底物。

未来方向

需开展体内研究（如大鼠临界骨缺损模型），优化支架力学性能（如增加交联度），探索NPs梯度分布或与生长因子（如BMP-2）联用，并设计血管化通道促进营养输送。

结论

ZnO NPs在CS-AG支架中展现最优抗菌与成骨协同效能，MgO次之，CaO侧重矿化。该工作为设计感染防控与骨再生一体化支架提供了实验依据。